考慮溫度變化的碾壓混凝土拱壩地震響應(yīng)分析

摘" 要：常態(tài)混凝土拱壩通常采用柱狀分塊方式澆筑，施工期通過壩內(nèi)埋設(shè)冷卻水管基本將混凝土水化熱溫升消除，對拱壩運行期的應(yīng)力狀態(tài)影響甚微；碾壓混凝土拱壩的施工通常采用全斷面通倉碾壓法，施工期碾壓混凝土水化熱溫升所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力隨壩體溫度的回降持續(xù)影響拱壩運行期的應(yīng)力狀態(tài)。因此，碾壓混凝土拱壩的應(yīng)力狀態(tài)與常態(tài)混凝土拱壩相比截然不同，且大體積混凝土受溫度荷載的作用不容忽視，考慮溫升、溫降對碾壓混凝土拱壩進行壩體應(yīng)力分析是十分必要的。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；拱壩；溫度變化；地震響應(yīng)；反應(yīng)譜

中圖分類號：TU37" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0089-05

Abstract： The normal concrete arch dam is usually poured by column block method， and the hydration heat temperature rise of concrete is basically eliminated by embedding cooling water pipes in the dam during construction， which has little effect on the stress state of arch dam during operation. Full-section through-silo compaction method is usually used in the construction of roller compacted concrete（RCC） arch dam， and the temperature stress caused by hydration heat rise of RCC during construction continues to affect the stress state of arch dam during operation with the fall of dam body temperature. Therefore， the stress state of RCC arch dam is completely different from that of normal concrete arch dam， and the effect of mass concrete under temperature load can not be ignored. Considering temperature rise and temperature drop， it is essential to analyze the stress of RCC arch dam.

Keywords： roller compacted concrete （RCC）; arch dam; temperature change; seismic response; response spectrum

碾壓混凝土筑壩技術(shù)在我國起步較晚，但發(fā)展很快，已廣泛應(yīng)用于混凝土重力壩的建設(shè)，并不斷在混凝土拱壩中推廣應(yīng)用。碾壓混凝土拱壩集合了建筑材料、施工工藝及結(jié)構(gòu)受力等多方面的優(yōu)勢，具有獨特之處。碾壓混凝土配合比采用低水泥用量、高摻粉煤灰和復(fù)合外加劑，減少水化熱但保證了混凝土的良好性能；施工上采用大倉面、薄層、連續(xù)澆筑的工藝，快速、短間歇，施工進度快；拱壩形體結(jié)構(gòu)單薄但受力條件較好，大大減少工程投資等。

雖如上所述，但碾壓混凝土拱壩的應(yīng)力狀態(tài)與常態(tài)混凝土拱壩不同。碾壓混凝土拱壩雖在施工時成拱，但這時壩體彈性模量還很低，尤其是摻夾了大量粉煤灰后，水化作用減緩，溫升較慢，碾壓混凝土強度增長緩慢；而在溫升達到峰值及以后的一段降溫過程中，碾壓混凝土彈性模量還在發(fā)展，徐變也較大[1]。此外，碾壓混凝土拱壩的應(yīng)力分布與常態(tài)混凝土拱壩又有所不同。因此，要比較準確反映碾壓混凝土拱壩的應(yīng)力狀態(tài)，除采用拱梁法計算外，需采用三維有限元法進行分析。

1" 概況

該碾壓混凝土拱壩位于流域開發(fā)的第三梯級，壩址以上流域面積4 680 km2，水庫總庫容2.8×108 m3，工程以水力發(fā)電為主，兼顧下游工、農(nóng)業(yè)供水，為綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。水庫死水位為1 415.00 m，死庫容為0.7×108 m3；正常蓄水位為1 450.00 m，興利庫容2.7×108 m3；設(shè)計洪水位1 450.72 m，校核洪水位1 451.95 m。工程等別為II等，主要建筑物級別為2級。工程主要由擋水建筑物、泄水建筑物及引水發(fā)電建筑物等組成。

1.1" 氣象資料

工程所在流域?qū)儆诒眮啛釒г瀑F高原山地季風濕潤氣候區(qū)，年降雨量變化也較大，降雨量主要集中在每年的5～10月份，占年降水量的80%以上。多年平均降水量為982 mm，蒸發(fā)量2 216.6 mm，多年平均日照時數(shù)為1 999.2 h。

壩址區(qū)氣象資料見表1。

1.2" 工程地質(zhì)

1.2.1" 區(qū)域地質(zhì)

樞紐區(qū)位于寶山東西向構(gòu)造帶與新華夏系楊家村背斜2種構(gòu)造體系交織地帶，在構(gòu)造單元上以摩戛斷層為界。摩嘎斷層以南為寶山東西向構(gòu)造帶，呈單斜構(gòu)造表現(xiàn)形式；摩嘎斷層以北為楊家村背斜南西側(cè)傾伏端，基本和清水河流向一致，局部形成次一級的小褶皺。

本區(qū)基本地震動峰值加速度為0.05 g，地震基本烈度為Ⅵ度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 S[2]。

1.2.2" 建筑物區(qū)工程地質(zhì)

壩基處河床寬35～40 m，最低高程1 295.86 m，兩側(cè)岸坡較陡，部分為陡崖，強風化厚度4.0～12.0 m，河床中無強風化層，弱風化巖體厚4.0～10.0 m，微風化巖體完整性較好。

左壩肩地形坡度35～53°，局部為陡崖，山坡上除零星分布有厚0.5～2.0 m的坡殘積混碎石黏土外，大部分基巖裸露，左壩肩強風化帶巖體厚度8.0～14.0 m，弱風化巖體厚8.0～18.0 m。微風化巖體完整性較好，強度較高，工程地質(zhì)條件良好。

右壩肩地形坡度34～55°，部分地段陡崖連續(xù)分布，基巖裸露，無斷層通過，強風化帶巖體厚度8.0～18.0 m，弱風化巖體厚6.0～13.0 m。微風化巖體完整性較好，強度較高，工程地質(zhì)條件良好。

大壩建基面位于弱風化～微風化巖體之上，建基面1 285.0～1 375.0 m高程巖體變形模量為14 GPa，1 375.0～1 450 m高程巖體變形模量為11 GPa，微風化基巖泊松比取為0.25，弱風化基巖泊松比取為0.27。壩址基巖和土層地質(zhì)物理力學(xué)指標見表2。

1.3" 地震作用參數(shù)

本工程為II等大（2）型水利樞紐工程，碾壓混凝土拱壩為1級建筑物，抗震設(shè)防類別為甲類，應(yīng)取基準期100 a超越概率2%的地震動參數(shù)作為設(shè)計地震，基準期100 a年超越概率1%的地震動參數(shù)作為校核地震。水平向地震加速度代表值見表3。

豎向設(shè)計地震加速度的代表值應(yīng)取水平向設(shè)計地震加速度代表值的2/3。豎向設(shè)計地震加速度的代表值見表4。

2" 分析方法及基本參數(shù)

2.1" 地震響應(yīng)分析方法

對碾壓混凝土拱壩抗震性能計算分析可以采用拱梁分載法、反應(yīng)譜分析法及時程分析法。

采用拱梁分載法計算時將碾壓混凝土拱壩分為不同段的拱、梁，考慮拱梁及徑、切、扭三向調(diào)整；大壩應(yīng)力計算采用有限元法，施工過程及運行期采用三維非線性有限元法進行仿真計算。

有限元模型X方向為垂直水流方向，向右岸為正；Y方向為順水流方向，向下為正；Z方向為鉛直方向，向上為正。

2.2" 基本參數(shù)

壩體碾壓混凝土特性參數(shù)見表5。

水庫水位參數(shù)見表6。

水庫計算淤沙高程為1 380.00 m，淤沙浮容重為0.858 t/m3，內(nèi)摩擦角為15°。

地震工況碾壓混凝土壩體允許拉應(yīng)力及允許壓應(yīng)力值見表7。

3" 地震響應(yīng)分析

地震反應(yīng)譜采用標準設(shè)計反應(yīng)譜，拱壩的反應(yīng)譜代表值為βmax=2.5，場地類別為I0類，修正后特征周期Tg=0.3 S，表達式為[3]

β（T）=1+10×（βmax-1），0lt;T≤0.1；（1）

β（T）=βmax，0.1lt;T≤Tg；（2）

β（T）=βmax×（Tg/T）0.6，Tglt;T≤3。（3）

本次模態(tài)分析簡化為10階振型疊加，即能滿足計算精度要求。死水位和正常蓄水位情形下壩體第1階至第10階振型的自振頻率，計算結(jié)果見表8。

3.1" 壩體位移

3.1.1" 正常蓄水位工況

正常蓄水位下，壩體地震動位移計算結(jié)果如圖1—圖3所示。

由圖1—圖3可見，設(shè)計地震動位移發(fā)生在孔口附近，X向最大位移為0.590 mm，Y向最大位移為2.204 mm，Z向最大位移為0.421 mm。

3.1.2" 死水位工況

死水位下，壩體地震動位移計算結(jié)果如圖4—圖6所示。

由圖4—圖6可見，死水位工況下，X向最大位移發(fā)生在壩頂附近，為0.841 mm；Y向和Z向最大位移發(fā)生在孔口附近，分別為2.023 mm、0.649 mm。

在設(shè)計地震工況，靜力、動力綜合作用下的位移計算結(jié)果詳見表9。

在校核地震工況，靜力、動力綜合作用下的位移計算結(jié)果詳見表10。

3.2" 壩體應(yīng)力

設(shè)計地震工況下壩體靜力、動力綜合等效應(yīng)力詳見表11。

正常蓄水位下溫升、溫降時典型應(yīng)力分布圖如圖7、圖8所示。

死水位下溫升、溫降時典型應(yīng)力分布如圖9、圖10所示。

校核地震工況下壩體靜力、動力綜合等效應(yīng)力詳見表12。

正常蓄水位下溫升、溫降時典型應(yīng)力分布如圖11、圖12所示。

死水位下溫升、溫降時典型應(yīng)力分布如圖13、圖14所示。

4" 成果分析

4.1" 壩體位移

由壩體位移等值線圖可以看出，大壩地震動位移分布規(guī)律符合拱壩動力變形的一般規(guī)律，在蓄水工況下位移反應(yīng)主要以平行水流方向為主，垂直水流方向位移為輔。

大壩地震動最大位移基本發(fā)生在溢流孔口附近和壩頂部位，并逐漸向壩底和左右兩側(cè)衰減。

在溫升、溫降作用下，壩體順河向位移沿上下游方向波動性變化，但不論是設(shè)計或校核工況，均在正常蓄水位下最為不利；豎向位移在死水位下最為不利。

4.2" 壩體應(yīng)力

在溫度變化及地震荷載作用下，水庫正常蓄水時壩體最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在上游壩基、兩側(cè)壩肩及溢流孔口等部位；在死水位時，壩體最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在距離壩頂1/3壩基、兩側(cè)壩肩及溢流孔口等部位。

在溫度變化及地震荷載作用下，水庫不論是正常蓄水或處于死水位，壩體最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在下游壩基及拱壩中部距離壩基1/3壩高區(qū)域內(nèi)，并逐步向兩側(cè)壩肩及壩頂傳遞。

正常蓄水是大壩運行的最不利工況，最大應(yīng)力較死水位時增大1.5～2倍。

5" 結(jié)束語

本文建立了壩體—庫水—地基的多遠系統(tǒng)模型，利用振型分解反應(yīng)譜法基于氣溫變化對碾壓混凝土拱壩進行了地震響應(yīng)分析，其位移、應(yīng)力分布規(guī)律合理。壩體等效應(yīng)力最大值小于允許值，在非地震工況下大壩強度安全滿足要求。除正常蓄水校核地震工況下建基面附近的等效拉應(yīng)力略大于壩體C18020混凝土容許拉應(yīng)力外，其他工況的等效拉應(yīng)力均滿足強度設(shè)計要求。建議將壩體二級配防滲層混泥土在靠近建基面3 m范圍內(nèi)的碾壓混凝土由C18020提高至C18025局部予以替換，即可滿足校核地震工況的強度設(shè)計要求。此外，大壩溢流孔口附近局部拉應(yīng)力較大，應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，在施工階段通過配置抗拉鋼筋來滿足強度設(shè)計要求。

拱壩壩體單薄，結(jié)構(gòu)受力得到充分應(yīng)用，然而混凝土裂縫對壩體安全影響至關(guān)重要，溫度應(yīng)力又是導(dǎo)致壩體裂縫的直接原因。因此，應(yīng)基于熱—固耦合進一步分析壩體應(yīng)力，為碾壓混凝土拱壩設(shè)計、施工提供更充分的計算依據(jù)。

參考文獻：

[1] 碾壓混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范：SL 314—2018[S].北京：中國水利水電出版社，2018.

[2] 中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖：GB 18306—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

[3] 水工建筑物抗震設(shè)計標準：GB 51247—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[4] 混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范：SL 282—2018[S].北京：中國水利水電出版社，2018.